微加速度計的結果及應用研究進展

邵波

摘 要： 介紹了微加速度計的基本原理以及國內(nèi)外常見的各種微加速度計的結構形式，包括壓電式、電容式、扭擺式、隧道式等，分析了這些傳感器的基本特點，總結微加速度計發(fā)展中存在的一些問題，并提出一些解決關鍵問題的措施，預測微加速度計未來的發(fā)展趨勢。介紹了微機械加速度計的基本原理及其分類。重點論述了微機械加速度計的特點和它在民用領域內(nèi)的不同應用，并對微機械加速度計領城內(nèi)一些斷的進展進行了討論，指出了微機械加速度計的發(fā)展趨勢。

關鍵詞： 微加速計；結構與系統(tǒng)；應用

引言

隨著微機電系統(tǒng)技術的發(fā)展，微加速度計制作技術越來越成熟，國內(nèi)外都將微加速度計開發(fā)作為微機電系統(tǒng)產(chǎn)品化的優(yōu)先項目，微機械加速度計是最重要的 MEMS 器件之一。微加速度計與通常的加速度計相比，具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、穩(wěn)定性高、可大量生產(chǎn)等優(yōu)點。可以廣泛地運用于航空航天、汽車工業(yè)、工業(yè)自動化及機器人等領域，具有廣闊的應用前景。

1.微加速度計的原理及分類

市面上的為加速度計一般是由敏感結構單元和信號處理電路單元，這兩部分組成的。微加速度計中的敏感結構單元是用來探測需要探測的加速度信號，并將探測到的信號以電學信號的形式輸出表現(xiàn)。信號處理電路顧名思義就是對敏感結構單元輸出的電學信號進行處理分析，得出與探測到的加速的信號成正比的電壓信號。微加速度計的性能也是由這兩個部分共同決定的，其簡略結構如圖1所示。當加速度信號作用在質(zhì)量塊上時，質(zhì)量塊會發(fā)生一定的位移，壓縮彈簧。通過測試彈簧的型變量，既可以求出作用在質(zhì)量塊上加速度的大小。通過無力推到可以得出加速度的機械傳輸表達式：

函數(shù)表達式中，x是質(zhì)量塊的位移，m；a是外界加速度，m2/s；D 為阻尼因子；M為質(zhì)量塊的質(zhì)量，kg；wr為共振頻率，Hz；Q為品質(zhì)因子。

質(zhì)量塊的位移（由外部加速度沖擊引起）的表達式：

從質(zhì)量塊位移表達式中可以看出，加速度所引起的質(zhì)量位移是通過器件的共振頻率決定的。因此，由此可以推到出電容式加速度計的靈敏度表達式：

函數(shù)表達式中，是空氣的介電常數(shù)；A是傳感正對面積，m2；d0是初始傳感間距，m。為了增加微加速度計的使測到的加速度更為準確，則要求提高微加速度的靈敏度，減少噪聲對其的干擾。為了滿足這些要求，由函數(shù)表達式可以看出，當加大電容兩極板的面積、增加質(zhì)量塊的質(zhì)量，減少電容兩極板間的距離或者使用彈性系數(shù)小的彈簧等都方式實現(xiàn)。

根據(jù)不同的需求，微加速度計可以分成多種多樣。按敏感軸的數(shù)量可分為單軸微機械加速度計、雙軸微機械加速度計和三軸微機械加速度計；按加工方式可分為微機械表面加工加速度計、微機械體加工加速度計和 LIGA 加工微機械加速度計；按材料可分為硅微機械加速度計、石英微機械加速度計和金屬微機械加速度計；按照慣性檢測質(zhì)量的運動方式可分為微型線加速度計和微型擺式加速度計；按有無反饋信號可分為微型開環(huán)加速度計和微型閉環(huán)加速度計；按結構形式可分為叉指式微機械加速度計、“蹺蹺板”擺式微加速度計和“三明治”擺式微加速度計；按敏感信號方式可分為微型電容式加速度計、微型壓阻式加速度計、微型壓電加速度計、和微型隧道電流式加速度計等；按敏感軸的數(shù)量可分為單軸微機械加速度計、雙軸微機械加速度計和三軸微機械加速度計。

2.微加速度計的分類

微加速度計的分類方式多種多樣，本文著重介紹以敏感原理不同為分類標準得到的分類結果。表 1.1對其特性進行了簡單闡述。

2.1 壓阻式微加速度計

壓阻式微加速度計是首個投入上也生產(chǎn)的微機械加速度計。它采用壓阻監(jiān)測的方式，即利用壓阻效應來檢測加速度，一般由質(zhì)量塊、壓敏電阻和懸臂梁組成的。質(zhì)量塊和橫梁通常采用Si材料。當懸臂梁發(fā)生形變時，其固定端一側變形量最大，因此在懸臂梁固定端一側布置了壓阻薄膜材料。當檢測到加速度時，懸臂梁在質(zhì)量塊受到的沖擊，在慣性的作用下發(fā)生變形，進而壓阻膜也發(fā)生形變，由于壓阻效應電阻值也會發(fā)生相應的變化，使壓阻兩端的檢測電壓值發(fā)生變化，然后通過函數(shù)公式推導出電壓值與加速度之間的關系，得到加速度值。壓阻式微加速度傳感器具有接口電路簡單、工藝復雜度低、芯片的制作相對容易、能耗低、線性度較好等優(yōu)點，但由于其溫度系數(shù)大，對溫度比較敏感，因此壓阻式微加速度計抗溫形差，適合恒溫的環(huán)境。

2.2 壓電式微加速度計

壓電式微加速度計采用氧化鋅、石英等作為壓力敏感材料，機構與壓阻式類似。原理圖如圖3所示，當壓敏材料受到應力的作用時，會發(fā)生極化現(xiàn)象，由此得到外部測試到的加速度的大小。當微加速度計在工作狀態(tài)下，質(zhì)量塊在外加載荷的作用下使懸臂梁發(fā)生彎曲，使壓電層的上下表面產(chǎn)生電勢差，再通過測量此電勢差的大小，即可得知外加加速度的大小。為了提高壓電式微加速度計的靈敏度，則需要將壓敏材料放置在受力最大的位置上。當質(zhì)量為m的質(zhì)量快受到加速度為a的加速度作用時，會產(chǎn)生一個大小為F（F=ma）的力作用在懸臂梁上，懸臂梁的根部受力最大，因此我們將壓力敏感材料薄膜放置在根部附近。

壓電式微加速度計具有較高的靈敏度和較寬的帶寬，但由于壓敏材料極化產(chǎn)生的是直流電荷，因此在低頻測量時會由于直流電的影響，干擾低頻信號，使之不能準確得到需要檢測的加速度。

2.3電容式微加速度計

電容式微加速度計是現(xiàn)在市場上最常見的，也有技術最成熟的為加速度計。它采用電容作為檢測接口。當外部加速度作用在質(zhì)量塊上時，質(zhì)量塊與檢測電極之間的距離發(fā)生改變，從而所引起電容的變化來確定加速度，其輸出存在本質(zhì)上的非線性。電容式加速度計的質(zhì)量塊一般通過彈性微梁與基體連接，而檢測電容的兩個基板分別固定在質(zhì)量塊和基體兩端。

電容式加速度計雖然易受外界環(huán)境的影響，但其穩(wěn)定性好、溫度漂移小、靈敏度高、過載保護能力較強等優(yōu)點使之成為目前研究應用最多的一種加速度計。

2.4扭擺式微加速度計

扭擺式微加速度計的敏感元件是不對稱的質(zhì)量塊平板，其下表面有相應的運動電極，并通過扭轉軸和基座相連，基座的上表面鋪有固定電極。當有加速度作用在質(zhì)量塊時，不對稱的質(zhì)量塊平板在其產(chǎn)生的慣性力的作用下，繞扭轉軸發(fā)生轉動。加速度與轉動角成正比關系：maL=Kθ。表達式中，a是輸入加速度；L是質(zhì)量平板質(zhì)心到支撐軸轉動中心的距離；K是支撐軸的扭轉剛度系數(shù)；θ是平板的扭轉角。當質(zhì)量塊平板靜置時發(fā)生偏移，可以通過電容的靜電力來調(diào)節(jié)平板的偏轉角度，達到校準微加速度計的作用，同時可以利用這種方法提高系統(tǒng)的測量范圍，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。扭擺式微加速度計基本特點與電容式類似，可以廣泛應用。

2.5 隧道式微加速度計

隧道式微加速度計，顧名思義通過隧道效應而測得加速度。隧道效應即平板電極和隧道針尖電極之間的距離達到某一條件，可以產(chǎn)生隧道電流。針尖與下電極之間的距離和隧道電流之間成反比關系，其表達為 。式中，Itun是隧道電流，Vtun是施加在電極兩端的電壓；α是有效勢壘高度；x是電極間隙；Φ是常數(shù)。

隧道式微加速度計常采用雙端固支梁或者懸臂梁支撐著質(zhì)量塊，質(zhì)量塊在加速度產(chǎn)生的慣性力的作用下發(fā)生位置的偏移，引起隧道電流的變化，再通過點亮的變化量推到出所需檢測的加速度值。

為了得到靈敏度高、穩(wěn)定性好的隧道微加速度計，通常將其放置在比較封閉的環(huán)境下，利用不同的反饋機制，使彈性回復力和靜電驅(qū)動力達到平衡狀態(tài)，再通過控制反饋電壓的大小得出加速度值。現(xiàn)在常用的方法是通過反饋電路控制隧尖與對應電極之間的距離，使之一直維持在能產(chǎn)生隧道電流的范圍內(nèi)，通過觀察反饋電壓的變化，得到加速度的實時變化。

2.6 熱對流式微加速度計

熱對流式微加速度計有一密閉腔，在腔中放置一加熱元件對充滿腔中的氣體進行加熱，當氣體受熱后發(fā)生膨脹使其密度下降，熱的氣體上升冷的氣體填充空位，這樣反復循環(huán)而形成熱對流傳導。當敏感方向無加速度時，腔內(nèi)被加熱的氣體在自身重力的作用下發(fā)生對流，加熱器水平兩邊相同位置上的溫度相等，兩個溫度傳感器的輸出也相等；當敏感方向有加速度時，腔體內(nèi)的氣體在自身重力和外加速度的共同作用下發(fā)生對流，加熱器水平兩邊相等位置上出現(xiàn)了溫度差，兩個溫度傳感器的輸出也就產(chǎn)生了差異。如果采用熱敏電阻作為兩個溫度傳感器的材料，并將其與外環(huán)境的兩個參考電阻連接構成電阻電橋，這樣就可以將級速度信號以電壓信號傳輸出來，更加方便對加速度信號進行分析處理。

熱對流式微加速度計具有非常高的靈敏度，能夠通過電阻橋直接輸出電壓信號，省去了復雜的信號處理電路，簡化了微加速計的構造與成本。由于在這種加速度計中質(zhì)量塊，因此具有很強的抗沖擊能力。

2.7 諧振式微加速度計

諧振式微加速度計采用的是的微機械諧振器的諧振頻率相對于應力的高靈敏性原理來檢測加速度。它輸出的不再是電壓信號，而是頻率信號，這種信號可以不經(jīng)過數(shù)模轉換就可以直接與電腦相連，組成高精度的測量控制系統(tǒng)。諧振式微加速度計的敏感元件有很多，如：振動梁、振動膜、振動弦、振動筒等。當垂直器件表面方向存在加速度時，質(zhì)量塊收到加速度的沖擊而發(fā)生位移，使懸臂梁發(fā)生扭曲而產(chǎn)生應力。在懸臂梁的一段放置一個微機械諧振器，由于作用在諧振器上的應力會隨著系統(tǒng)接受到的加速度變化而變化，諧振器的諧振頻率也會隨之發(fā)生變化，通過對該諧振頻率變化的測量來確定系統(tǒng)的加速度。

諧振式微加速度計具有穩(wěn)定性好、無活動部件、精度高、機械結構牢固、靈敏度高等優(yōu)點。但由于其機構復雜，還需要消除頻率的干擾，因此一直沒能得到廣泛的使用，但它仍是具有很高的研究價值和應用前景的一種微加速度計。

3.微加速度計的應用

微加速度計一直以其成本低、尺寸小等優(yōu)點得到廣泛的應用。它不僅應用在傳統(tǒng)的領域中，還在商業(yè)領域中占據(jù)了廣泛的市場。這種低成本加速度計主要應用領域有：車輛控制、高速鐵路、工業(yè)自動化、民用航空、機器人、探礦等等。圖2是微加速度計的應用領域及測速范圍。不同的應用領域?qū)铀俣扔嫷男阅芤笠彩遣灰粯?的，表1給出了兩種不同應用領域?qū)铀俣扔嬓阅艿囊蟆?/p>

4.總 結

微機械加速度計在民用領域中的應用越來越廣泛，但隨著應用的不斷增多，對微機械加速度計在性能成本和精度上也有了一些更多的要求。這也促進微加速度計在材料選取、制造工藝、設計方法等方面的不斷發(fā)展。本文分析與比較了各類型微加速度計的原理特點，提出了影響微加速度計性能提高一些共性難題，總結出其發(fā)展趨勢，為微加速度計的研究和開發(fā)提供了一些的方向。